采用虛擬儀器對傳感器靜態(tài)特性進(jìn)行測試和分析研究

傳感器的工作特性通過其靜、動態(tài)特性直接反映出來，靜態(tài)特性是表示傳感器在被測輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入—輸出關(guān)系，更能突出反映傳感器的各項指標(biāo)，傳感器靜態(tài)特性主要指線性度、遲后性、重復(fù)性和靜態(tài)誤差。以往對傳感器靜態(tài)特性的測試、分析需要多種儀器來共同完成，且輸入、輸出信號的測量、記錄、特性指標(biāo)的計算都需人工完成，工作量大、效率低、可靠性差?；谔摂M儀器的傳感器特性分析數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，效率高，靈活性及一致性好，顯示內(nèi)容豐富，打印輸出方便，具有極高性價比，已被廣泛地應(yīng)用。

傳感器靜態(tài)特性的測量及計算

由計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成虛擬測試儀器，完成對傳感器靜態(tài)特性的分析，實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、靈活、可靠的目的。

對于一個傳感器特性循環(huán)試驗，在取5個校準(zhǔn)點時，測量點的分布見表1。

在實際測試中為保證測量可靠性，至少應(yīng)重復(fù)實驗3個循環(huán)，取5個校準(zhǔn)點，共25個測量值。一般采用重復(fù)實驗5個循環(huán)，取7個校準(zhǔn)點，則共有61個測量值。由這些測量值來計算傳感器線性度、遲滯性、重復(fù)性和靜態(tài)誤差。

基于PC的虛擬儀器

虛擬儀器的硬件

表1　測量點分布表

由分析可知，若想測量傳感器的特性指標(biāo)，則必需在各校準(zhǔn)點給傳感器輸入校準(zhǔn)信號，同時測量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號值，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號一般為4～20mA 或1～5V，而電流信號經(jīng)采樣電阻可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。傳統(tǒng)的測量方法是用萬用表測量并記錄每次傳感器的輸出信號值，如今采用PC機(jī)加A/D擴(kuò)展板卡來測量和記錄傳感器的輸出信號，則可大大提高測量精度和測量速度，而且PC機(jī)具有極強(qiáng)的運算能力，可方便、靈活地計算和分析傳感器的各項特性指標(biāo)，具有極高的性價比。

目前，PC機(jī)都具有3個以上PCI擴(kuò)展插槽，而且基于PCI總線的工業(yè)級模擬信號采集板卡種類繁多，大多可采集-10～+10V 范圍內(nèi)信號，而且采樣精度從12位到16位、采樣速度從每秒幾萬次到上百萬次不等，作為工業(yè)產(chǎn)品其工作的穩(wěn)定性和可靠性已得到共識，現(xiàn)已在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

針對傳感器測試精度高的特點，一般要求測試儀器精度應(yīng)達(dá)到5×10-4。虛擬儀器采用普通PC計算機(jī)，擴(kuò)展了臺灣研華基于PCI總線的PCI-816模擬量采集板卡，板卡主要功能有：16路模擬信號差分輸入、分辨率為16位、最大采樣速度為100kHz/s、信號采樣范圍寬且可軟件編程設(shè)定、支持軟硬件觸發(fā)、可編程選擇中斷等級和DMA 傳送通道，另外，還具有16路數(shù)字量輸入、輸出。

虛擬儀器的軟件

虛擬儀器的硬件相對軟件較簡單，而儀器的操作方便與否、功能是否齊全、顯示畫面是否豐富、是否可打印輸出各種分析報表等，則完全由軟件設(shè)計水平來決定。軟件采用VC++6.0在Windows環(huán)境下編制，程序功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，可在WindowsNT/98/2000/XP 操作系統(tǒng)下運行，具有畫面顯示直觀，操作方便、靈活等特點。

圖1程序功能結(jié)構(gòu)圖

虛擬儀器軟件運行后，可通過下拉式菜單或工具欄按鈕來完成數(shù)據(jù)采集或輸入、修改、計算、顯示畫面切換和結(jié)果打印輸出等操作。為方便輸入、修改各種數(shù)據(jù)，采用如圖2所示的集成度較高的數(shù)據(jù)輸入、修改對話窗口，其中傳感器名稱、型號和循環(huán)試驗次數(shù)可直接輸入，而傳感器各校準(zhǔn)點設(shè)定值和試驗中所測量數(shù)值則可按設(shè)定在新增和修改間變換輸入。例如需連續(xù)輸入各校準(zhǔn)點的設(shè)定值，則可通過在操作方法組框中選中［校準(zhǔn)輸入或測試數(shù)據(jù)］復(fù)選框（對于測量數(shù)據(jù)的操作則取消選中），同時選中［連續(xù)操作］復(fù)選框，如圖2中所示，即可連續(xù)輸入。另外可通過選中4個單選銨鈕［設(shè)置］ 、［插入］、［追加］和［刪除］中的不同銨鈕來設(shè)定對當(dāng)前下標(biāo)（行程編號） 數(shù)據(jù)的不同操作。這樣可在一個對話窗口內(nèi)完成整個數(shù)據(jù)的采集、修改，大大提高了對數(shù)據(jù)的操作效率。每步操作的同時，在程序窗口可顯示所有參數(shù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)。

圖2　數(shù)據(jù)輸入、修改對話窗口

校準(zhǔn)點數(shù)量和所需測量值數(shù)量由程序按輸入校準(zhǔn)點數(shù)和循環(huán)次數(shù)自動計算。程序自動檢驗輸入校準(zhǔn)點數(shù)量（M）與測量值數(shù)量（N）是否滿足式（1），如不滿足則計算菜單項和工具欄中計算按鈕無效，直至兩者滿足式（1）關(guān)系。在檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性后即可計算傳感器各項靜態(tài)指標(biāo)。

測試數(shù)據(jù)的顯示和打印

對于輸入或測量的數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果，程序可在不同的彈出窗口內(nèi)以表格、曲線、直方圖等多種形式顯示出來，提供了以獨立文件和分類數(shù)據(jù)庫形式存儲，預(yù)存了不同打印輸出報表格式?？赏ㄟ^選取不同的菜單項或按鈕來選擇不同顯示和打印輸出方式。

打印輸出報表提供了二次設(shè)計功能，即可通過軟件中的繪圖和字符串編輯功能，自行設(shè)計打印輸出報表格式。

應(yīng)用實例

虛擬儀器已在實際傳感器測試中應(yīng)用。表2是對1個壓力傳感器（量程：1MPa），采用5個校準(zhǔn)點，重復(fù)循環(huán)試驗3次所測量計算的部分?jǐn)?shù)據(jù)（置信系數(shù)α=3） 。

表2　壓力傳感器測量計算的部分?jǐn)?shù)據(jù)

結(jié)束語

文中雖然未對用此虛擬儀器來測量、分析傳感器的動態(tài)特性作介紹，但可參照對靜態(tài)特性的分析方法來分析傳感器的動態(tài)特性，利用虛擬儀器具有快速A/D轉(zhuǎn)換的功能，在傳感器輸入量發(fā)生階躍或連續(xù)變化的同時，對輸出量作連續(xù)的A/D 采樣，通過對采樣結(jié)果的分析，即可得出傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。

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